2020年高考物理真题考点逐个击破-专题8.10 实验：描绘小电珠的伏安特性曲线

2020年高考物理真题考点逐个击破-专题8.10 实验：描绘小电珠的伏安特性曲线【专题诠释】一实验原理与操作1．确定电流表、电压表的量程，采用电流表外接法，滑动变阻器采用分压式接法，按实验原理图连接好实验电路．2．把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端，接线经检查无误后，闭合开关S.3．移动滑动变阻器滑片位置，测出12组左右不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入表格中，断开开关S.4．拆除电路，整理仪器．5．电流表外接法本实验中被测小电珠灯丝的电阻值较小，因此测量电路必须采用电流表外接法．6．滑动变阻器应采用分压式连接本实验要作出I­U图象，要求测出一组包括零在内的电流、电压值，故控制电路必须采用分压接法．7．保护元件安全为保护元件不被烧毁，开关闭合前变阻器滑片应位于图中的左端．加在小电珠两端的电压不要超过其额定电压．二数据处理与误差分析1．画图象根据测出的电流、电压值描点，要用平滑曲线将各点拟合起来，不要画成折线．2．分析图象(1)U­I图象：图象的斜率越大表示电阻越大．(2)I­U图象：图象的斜率越大表示电阻越小．3．应用图象(1)在伏安特性曲线上找到符合电路的实际电压和电流，可计算电阻或功率．(2)当把被测的小灯泡与电源连接时，要综合应用小灯泡和电源的两个U­I图象，利用两个图象的交点求解．三实验拓展与创新1.23向电压时1.的温度特性231.测2速【高考领航】【2018·高考全国卷Ⅰ】某实验小组利用如图甲所示的电路探究在25 ℃～80 ℃范围内某热敏电阻的温度特性．所用器材有：置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻R T，其标称值(25 ℃时的阻值)为900.0 Ω；电源E(6 V，内阻可忽略)；电压表○V (量程150 mV)；定值电阻R0(阻值20.0 Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)；电阻箱R2(阻值范围0～999.9 Ω)；单刀开关S1，单刀双掷开关S2.实验时，先按图甲连接好电路，再将温控室的温度t升至80.0 ℃.将S2与1端接通，闭合S1，调节R1的滑片位置，使电压表读数为某一值U0；保持R1的滑片位置不变，将R2置于最大值，将S2与2端接通，调节R2，使电压表读数仍为U0；断开S1，记下此时R2的读数．逐步降低温控室的温度t，得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到25.0 ℃.实验得到的R2­t数据见下表．回答下列问题：(1)在闭合S1前，图甲中R1的滑片应移动到________(填“a”或“b”)端．(2)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并作出R2­t曲线．(3)由图乙可得到R T在25 ℃～80 ℃范围内的温度特性．当t＝44.0 ℃时，可得R T＝________Ω.(4)将R T握于手心，手心温度下R2的相应读数如图丙所示，该读数为________Ω，则手心温度为________℃.【答案】(1)b(2)如图所示(3)450(4)620.033.0【解析】(1)闭合开关S1前，应让滑片移动到b端，使滑动变阻器连入电路的阻值最大．(3)由图象可知t＝44.0℃时，电阻的阻值为450 Ω.(4)由图丙可得电阻箱阻值为620.0 Ω，由图象可得温度约为33.0 ℃.【2017·高考全国卷Ⅰ】某同学研究小灯泡的伏安特性．所使用的器材有：小灯泡L(额定电压3.8 V，额定电流0.32 A)；电压表(量程3 V，内阻3 kΩ)；电流表(量程0.5 A，内阻0.5 Ω)；固定电阻R0(阻值1 000 Ω)；滑动变阻器R(阻值0～9.0 Ω)；电源E(电动势5 V，内阻不计)；开关S；导线若干．(1)实验要求能够实现在0～3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，在虚线框内画出实验电路原理图．(2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图(a)所示．由实验曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻______(填“增大”“不变”或“减小”)，灯丝的电阻率________(填“增大”“不变”或“减小”)．(3)用另一电源E0(电动势4 V，内阻1.00 Ω)和题给器材连接成图(b)所示的电路，调节滑动变阻器R的阻值，可以改变小灯泡的实际功率．闭合开关S，在R的变化范围内，小灯泡的最小功率为______W，最大功率为______W．(结果均保留2位小数)【答案】(1)实验电路原理图如图所示(2)增大增大(3)0.39 1.17【解析】(1)要实现在0～3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，则滑动变阻器需要设计成分压接法；电压表应与固定电阻R0串联，将量程改为4 V．由于小灯泡正常发光时电阻约为12 Ω，所以需将电流表外接．(2)由小灯泡伏安特性曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻增大．根据电阻定律可知，灯丝的电阻率增大．(3)当滑动变阻器接入电路中的阻值最大为9.0 Ω时，流过小灯泡的电流最小，小灯泡的实际功率最小，把滑动变阻器视为等效电源内阻的一部分，在题图(a)中画出等效电源E0′(电动势4 V，内阻1.00 Ω＋9.0 Ω＝10 Ω)的伏安特性曲线，函数表达式为U＝4－10I(V)，图线如图中℃所示，故小灯泡的最小功率为P min＝U1I1＝1.75×0.225 W≈0.39 W．当滑动变阻器接入电路中的阻值最小为零时，流过小灯泡的电流最大，小灯泡的实际功率最大，在题图(a)中画出电源E0(电动势4 V，内阻1.00 Ω)的伏安特性曲线，函数表达式为U＝4－I(V)，图线如图中℃所示，故小灯泡的最大功率为P max＝U2I2＝3.68×0.318 W≈1.17 W.【最新考向解码】例1.(2019·石家庄精英中学高三二调)某同学做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验，已知小灯泡标称值为“2.5 V 1.25 W”，实验室中除导线和开关外，还有以下器材可供选择：电压表V1(量程为3 V，内阻为3 kΩ)；电流表A1(量程为100 mA，内阻为10 Ω)；电流表A2(量程为3 A，内阻为0.1 Ω)；滑动变阻器R1(0～10 Ω，额定电流为2 A)；滑动变阻器R2(0～1 kΩ，额定电流为0.5 A)；定值电阻R3(阻值为2.5 Ω)；定值电阻R4(阻值为10 Ω)；定值电阻R5(阻值为1 kΩ)；电源E(E＝3 V，内阻不计)。

实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能进行多次测量。

(1)实验中滑动变阻器应选用________，电流表应选用________(均填器材的符号)，并________(填“串联”或“并联”)定值电阻。

(2)在图1中的虚线框内画出电路图。

(图中标出选用的器材的符号)(3)实验中得到的该灯泡的伏安特性曲线如图2所示，如果将小灯泡与另一个电动势为2 V，内阻为4 Ω的电源直接相连，则小灯泡的实际功率为________ W。

(结果保留两位有效数字)【答案】(1)R1A1并联(2)电路图见解析(3)0.25【解析】(1)题中要求小灯泡两端的电压从零开始变化，滑动变阻器应采用分压式接入电路中，故滑动变阻器应选择总阻值小的R1；灯泡额定电流为：I＝PU＝1.25 W2.5 V＝0.5 A＝500 mA，电流表A2的量程太大，不能用它测电流，应把电流表A1与定值电阻R3并联扩大其量程之后再测电流。

(2)描绘小灯泡的伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，电压表内阻远大于灯泡电阻，电流表采用外接法，实验电路图如图所示。

(3)在灯泡I­U坐标系内作出电源的I­U图线如图所示：同一坐标系下，小灯泡的伏安特性曲线与电源的I­U图线的交点即为小灯泡两端的电压和电流，由图示图线可知：U＝0.9 V，I＝0.28 A灯泡实际功率为：P＝UI＝0.9×0.28 W≈0.25 W。

例2.(2019·河南郑州模拟)硅光电池在无光照时不产生电能，可视为一电子元件．某实验小组设计了如图甲所示的电路，给硅光电池加反向电压(硅光电池负极接高电势点，正极接低电势点)，探究其在无光照时的反向伏安特性．图中电压表V1量程选用3 V，内阻为6 kΩ；电压表V2量程选用15 V，内阻约为30 kΩ；R0为保护电阻；直流电源电动势E约为12 V，内阻不计．(1)根据图甲，用笔画线代替导线，将图乙连接成完整电路．(2)用遮光罩罩住硅光电池，闭合开关S，调节变阻器R，读出电压表V1、V2的示数U1、U2.①某次测量时，电压表V1示数如图丙所示，则U1＝________V，可算出通过硅光电池的反向电流大小为________mA(保留两位小数)．②该小组测出大量数据，筛选出下表所示的9组U1、U2数据，算出相应的硅光电池两端反向电压U x和通过的反向电流I x(表中“－”表示反向)，并在坐标纸上建立I x­U x坐标系，标出了与表中前5组U x、I x数据对应的5个坐标点．请你标出余下的4个坐标点，并绘出I x­U x图线．③由I x­U x图线可知，硅光电池无光照下加反向电压时，I x与U x成________(填“线性”或“非线性”)关系．【答案】(1)连线如图所示(2)①1.400.23②描点绘出I x­U x图线，如图所示．③非线性【解析】V1选用的是3 V量程，则刻度盘的最小分度为0.1 V，根据电表的读数原则知U1＝14.0×0.1 V＝1.40 V，I1＝U1R V1≈0.23 mA.由于绘出的I x­U x图象不是直线，即I x与U x成非线性关系．【微专题精练】1．小张和小明测绘标有“3.8 V0.4 A”小灯泡的伏安特性曲线，提供的实验器材有：A．电源E (4 V，内阻约0.4 Ω)B．电压表V(2 V，内阻为2 kΩ)C．电流表A(0.6 A，内阻约0.3 Ω)D．滑动变阻器R(0～10 Ω)E．三个定值电阻(R1＝1 kΩ，R2＝2 kΩ，R3＝5 kΩ)F．开关及导线若干(1)小明研究后发现，电压表的量程不能满足实验要求，为了完成测量，他将电压表进行了改装．在给定的定值电阻中选用________(选填“R1”“R2”或“R3”)与电压表________(选填“串联”或“并联”)，完成改装．(2)小张选好器材后，按照该实验要求连接电路，如图所示(图中电压表已经过改装)．闭合开关前，小明发现电路中存在两处不恰当的地方，分别是：①__________；②__________.(3)正确连接电路后，闭合开关，移动滑动变阻器的滑片P，电压表和电流表的示数改变，但均不能变为零．由此可以推断电路中发生的故障可能是导线________(选填图中表示导线的序号)出现了________(选填“短路”或“断路”)．【答案】：(1)R2串联(2)电流表不应内接滑片应在最左端(3)8断路【解析】：(1)电压表的量程为2 V，内阻为2 kΩ，故选用阻值是2 kΩ的R2与电压表串联后可达到实验的要求．(2)因电压表的内阻远大于灯泡的内阻，故电流表应该外接；因采用分压电路，故滑动变阻器滑动端应该在最左端；故电路中存在两处不恰当的地方，分别是：电流表不应内接，滑片应在最左端；(3)出现此故障可能是导线8断路引起的．2．(2019·广西柳州高级中学模拟)在描绘小灯泡的伏安特性曲线的实验中，已知待测小灯泡的额定电压6 V，额定功率约为3 W，提供的器材有：电流表A：量程为0.6 A，内阻约为0.5 Ω；电压表V：量程为3 V，内阻为3 kΩ；滑动变阻器R1(0～10 Ω，2 A)；滑动变阻器R2(0～500 Ω，1 A)；定值电阻R3＝1 kΩ；定值电阻R4＝3 kΩ；电源：电动势为9 V ，内阻约为0.1 Ω； 开关一个，导线若干．(1)实验中，应该选用的滑动变阻器是________，定值电阻是________(填仪器的字母代号)． (2)根据所给的器材，在虚线框中画出实验电路图．【答案】：(1)R 1 R 4 (2)图见解析【解析】：(1)小灯泡的额定电压为6 V ，电压表量程为3 V ，需要把电压表与定值电阻R 4串联组成电压表，使电压表量程扩大至6 V ；电压与电流从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，灯泡正常发光时电阻为R ＝U 2P ＝12 Ω，电流表内阻约为0.5 Ω，电压表内阻和R 4电阻之和为6 kΩ，远大于灯泡电阻，电流表应采用外接法，滑动变阻器应选择阻值较小的R 1. (2)实验电路图如图所示．3．(2019·贵阳花溪模拟)某实验小组预测定一只小灯泡(其额定功率为0.75 W, 但额定电压已经模糊不清)的额定电压值，实验过程如下：他们先用多用电表的欧姆挡测出小灯泡的电阻约为2 Ω，然后根据公式算出小灯泡的额定电压U ＝PR ≈1.22 V ．但他们认为这样求得的额定电压值不准确，于是他们利用实验室中的器材设计了一个实验电路，进行进一步的测量．供他们选择的实验器材有： A ．电压表V(量程3 V ，内阻约3 kΩ) B ．电流表A 1(量程150 mA ，内阻约2 Ω) C ．电流表A 2(量程500 mA ，内阻约0.6 Ω) D ．滑动变阻器R 1(0～20 Ω) E ．滑动变阻器R 2(0～50 Ω)F．电源E(电动势4.0 V，内阻不计)G．开关S和导线若干(1)测量过程中他们发现，当电压达到1.23 V时，灯泡亮度很弱，继续缓慢地增加电压，当达到2.70 V时，发现灯泡已过亮，立即断开开关，所有测量数据见下表：次数1234567 U/V0.200.60 1.00 1.40 1.80 2.20 2.70 I/mA80155195227255279310请你根据表中数据，在给出的坐标纸上作出U I图线，从中可得小灯泡的额定电压应为________ V(结果保留两位有效数字)．这一结果大于实验前的计算结果，原因是________________________．(2)从表中的实验数据可以知道，他们在实验时所选择的电路应为________，电流表应选________(填“A1”或“A2”)，滑动变阻器应选________(填“R1”或“R2”)．【答案】：(1)图见解析 2.5灯泡冷态电阻小于正常工作时的电阻(或：灯泡电阻随温度升高而变大)(2)C A2R1【解析】：(1)根据表中实验数据在坐标系内描出对应点，然后作出图象如图所示；由图示图象可知，电压U ＝2.5 V 时，电流I ＝0.3 A ，灯泡功率P ＝UI ＝2.5×0.3 W ＝0.75 W ，等于灯泡额定功率，则灯泡额定电压为2.5 V ．由于灯泡电阻受温度影响，随温度升高而增大，因此灯泡额定电压大于计算结果．(2)描绘灯泡伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，灯泡正常发光时的电阻约为：R ＝U I ＝2.50.3 Ω≈8.33 Ω，电压表内阻约为3 kΩ，电流表内阻约为0.6 Ω，电压表内阻远大于灯泡电阻，电流表采用外接法，应选择图C 所示电路图；由表中实验数据可知，电流的最大测量值为310 mA ，电流表应选择A 2，为方便实验操作，滑动变阻器应选择R 1.4．(2019·重庆一中期中)某学习小组探究一小灯泡在不同电压下的功率大小，实验器材如图甲所示，现已完成部分导线的连接．(1)实验要求滑动变阻器的滑片从左向右移动过程中，电流表的示数从零开始逐渐增大，请按此要求用笔画线代替导线在图中完成余下导线的连接；(2)实验测得的数据如下表记录：请将剩余两个点描在图乙的坐标图中，并画出小灯泡的伏安特性曲线； (3)根据所画伏安特性曲线判断：①将该灯泡直接接在一电动势为3 V 、内阻为1 Ω的电源两端，小灯泡的功率为________ W ；(结果保留两位小数)②将______只相同的小灯泡并联后，与①中电源以及一定值电阻R 0＝0.25 Ω串联成闭合回路，可使灯泡消耗的总功率最大，最大值约为______ W ．(结果保留两位小数)【答案】：(1)图见解析 (2)图见解析(3)①1.25(1.21～1.30) ②3 1.80【解析】：(1)探究小灯泡在不同电压下的功率大小，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，实物电路图如图所示．(2)根据表中实验数据在坐标系内描出对应点，然后作出图象如图所示．(3)①在灯泡UI 图象中作出电源的U I 图象如图所示．由图示图象可知，灯泡两端电压U ＝2.5 V ，通过灯泡的电流I ＝0.5 A ，灯泡功率：P ＝UI ＝2.5×0.5 W ＝1.25 W.②电源与电阻R 0整体可以看做等效电源，等效电源内阻为(1＋0.25) Ω＝1.25 Ω，当灯泡并联电阻为1.25 Ω时灯泡总功率最大，此时路端电压为1.5 V ，由灯泡U I 图象可知，此时通过灯泡的电流为0.4 A ，灯泡的电阻：R L ＝U I ＝1.50.4 Ω＝3.75 Ω，则三只灯泡并联电阻为1.25 Ω，三只灯泡并联时灯泡总功率最大，P max ＝3UI＝1.80 W.5.有一个小电珠上标有“4 V ，2 W”的字样，现在要用伏安法描绘这个电珠的I －U 图线，现有下列器材供选用：A.电压表(0～5 V ，内阻10 kΩ)B.电压表(0～15 V ，内阻20 kΩ)C.电流表(0～3 A ，内阻0.4 Ω)D.电流表(0～0.6 A ，内阻1.0 Ω) E ．滑动变阻器(10 Ω，2 A) F ．滑动变阻器(500 Ω，1 A)G ．学生电源(直流6 V)、开关、导线若干(1)实验时，选用图甲而不选用图乙的电路图来完成实验，请说明理由：________________________________________________________________________.(2)实验中所用电压表应选用________，电流表应选用________，滑动变阻器应选用________．(用序号字母表示)(3)把图丙中所示的实验器材按图甲用笔画线代替导线连接成实物电路图．【答案】 (1)描绘电珠的I －U 图线所测数据需从零开始，并要多取几组数据 (2)A D E (3)见解析图 【解析】 (1)由于测量数据要从零开始，故采用题图甲所示的分压式电路，且能方便地多测几组数据． (2)因小电珠额定电压为4 V ，则电压表选量程为0～5 V 的电压表A.小电珠的额定电流为I ＝P U ＝24 A ＝0.5 A ，则电流表选D.滑动变阻器应选最大阻值较小的E ，这样在实验中移动滑片时能使电路中的电流和电压有明显的变化，从而减小读数误差． (3)电路图如图所示．6.在有光照时太阳能电池可以将光能转化为电能，在没有光照时，太阳能电池可以视为一个电学器件．某实验小组用测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法，探究一个太阳能电池在没有光照时(没有储存电能)的I －U 特性．所用的器材包括：太阳能电池，电源E ，电流表A ，电压表V ，滑动变阻器R ，开关S 及导线若干．(1)为了达到上述目的，应选用哪个电路图：________(选填“甲”或“乙”)．(2)该实验小组根据实验得到的数据，描点绘出了如图丙所示的I －U 图象．由图可知，当电压小于2.0 V 时，太阳能电池的电阻________(选填“很大”或“很小”)；当电压为2.8 V 时，太阳能电池的电阻约为________ Ω.(保留两位有效数字)．【答案】 (1)甲 (2)很大 1.0×103【解析】(1)用测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法，探究一个太阳能电池在没有光照射时(没有储存电能)的I －U 特性，应选用滑动变阻器分压接法，为电路图甲．(2)由题图可知，当电压小于2.0 V 时，电流几乎为零，所以太阳能电池的电阻很大．当电压为2.8 V 时，对应电流为2.8 mA ，由欧姆定律可得太阳能电池的电阻约为R ＝UI＝1.0×103 Ω.7.某同学想要描绘标有“3.8 V ，0.3 A”字样小灯泡L 的伏安特性曲线，要求测量数据尽量精确、绘制曲线完整．可供该同学选用的器材除开关、导线外，还有： 电压表V 1(量程0～3 V ，内阻等于3 kΩ) 电压表V 2(量程0～15 V ，内阻等于15 kΩ) 电流表A 1(量程0～200 mA ，内阻等于10 Ω) 电流表A 2(量程0～3 A ，内阻等于0.1 Ω) 滑动变阻器R 1(0～10 Ω，额定电流2 A) 滑动变阻器R 2(0～1 kΩ，额定电流0.5 A)定值电阻R3(阻值等于1 Ω)定值电阻R4(阻值等于10 Ω)定值电阻R5(阻值等于1 kΩ)电源E(E＝6 V，内阻不计)(1)请画出实验电路图，并将各元件字母代码标在该元件的符号旁．Ｋ(2)该同学描绘出的I－U图象应是下图中的________．【答案】：(1)如图所示(2)B【解析】：(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线实验时，需要设计成滑动变阻器的分压接法，滑动变阻器应选择与小灯泡阻值相接近的R1.给出的元件电压表V1量程小于小灯泡的额定电压，电压表V2量程又太大，因此需要将电压表V1串联一个1 kΩ的定值电阻R5，改装成最大量程为4 V的电压表．给出的元件电流表A1量程小于小灯泡的额定电流，电流表A2量程又太大，因此需要将电流表A1并联一个10 Ω的定值电阻R4，改装成最大量程为400 mA的电流表．(2)由于小灯泡灯丝的电阻随温度的升高而增大，所以该同学绘出的小灯泡的I－U图象应是B.8.在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，要测量一个标有“3 V，1.5 W”的小灯泡两端的电压和通过它的电流，现有如下器材：A．直流电源3 V(内阻可不计)B．直流电流表0～600 mA(内阻约为0.5 Ω)C．直流电压表0～3 V(内阻约3 kΩ)D．滑动变阻器(10 Ω，1 A)E．滑动变阻器(1 kΩ，300 mA)F．开关、导线若干(1)本实验中滑动变阻器应选用________(选填“D”或“E”)．(2)下表中的各组数据是该同学在实验中测得的，根据表格中的数据在如图甲所示的坐标纸上作出该小灯泡的伏安特性曲线．(3) 如图乙所示，将两个这样的小灯泡并联后再与阻值为5 Ω 的定值电阻R0串联，接在电压恒定为4 V的电路中，每个小灯泡的实际功率为________W.【答案】：(1)D(2)见解析图(3)0.3【解析】：(1)实验中需测量多组数据，滑动变阻器用分压式接法，为了调节方便，滑动变阻器用阻值较小的，故选D.(2)描点画图，如图所示．(3)设小灯泡两端的电压为U，电流为I，根据闭合电路欧姆定律得：U0＝U＋2IR0，所以U＝－2R0I＋U0，代入数据得U＝－10I＋4，在小灯泡的伏安特性曲线同一坐标系上画出该直线，其交点(1.0，0.3)即为小灯泡的实际电压、电流值，可得小灯泡消耗的实际功率P＝UI＝0.3 W.。